隨著處理效能、內存密度和系統整合度的提升，嵌入式視覺從傳統逐漸擴增到新興應用領域，市場規模在十年內必有顯著增長。而伴隨著應用領域越來越多元，影像傳感器系統在開發時，所需考慮的面向也變得更加復雜。

視覺系統在各個產業及應用領域中日益普及，甚至每天攜帶的智能型手機即嵌入式視覺系統的一個例子。這些裝置不僅能夠從事影像捕捉和影像錄制，還能執行擴增虛擬現實的應用。由此可知嵌入式視覺技術有相當高的接受度。

隨著處理效能、內存密度和系統整合度的提升，嵌入式視覺從傳統逐漸擴增到新興應用領域（圖1）。這使得嵌入式視覺在消費者、產業和政府間被廣泛地接受，十年內必有顯著增長。

圖1　常見的嵌入式視覺應用。

表1列出了一些嵌入式視覺崛起中的領域，其中有一些顯而易見，有些則不是很明顯。

嵌入式視覺之基本概念

所謂嵌入式視覺系統包含從所選的影像傳感器接收光子到系統輸出的整個訊號鏈。從接收端的影像中擷取處理或未處理的影像或信息，并提供予下游系統，而嵌入式系統架構師則負責根據系統要求確保接收到輸出過程的效能。

因此，嵌入式視覺系統架構師須要熟悉與傳感器和后處理系統相關的各種概念和技術。本文專為入門之專業人士設計，旨在讓讀者對此技術和概念有一個基本了解。

首先，我們必須熟悉電磁波譜及期望系統運行的光譜域，因為肉眼可辨識的范圍僅390nm（藍光）至700nm（紅光）波長間的光譜，亦為可見光譜；而根據選用影像設備的不同，我們卻能捕獲到更廣泛的波長影像包括X光、紫外線、紅外線，以及可見光譜。

針對近紅外光及以下的光譜范圍，我們可以選用電荷耦合組件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS1）影像傳感器（CIS）；到了紅外光譜范圍，則須使用專用的紅外光檢測器。紅外光譜之所以需要專用的傳感器，部分原因在于芯片影像傳感器如CCD或CIS需要激發能。這些組件通常需要1eV的光子能量來激發一個電子，然而在紅外光譜范圍，光子能量介于1.7eV至1.24meV之間，因此紅外影像傳感器應基于HgCdTe或InSb。這些低激發能的傳感器，經常與CMOS的讀取IC（ROIC）配合使用，以利傳感器的控制與讀取。

最常見的兩種傳感器技術分別是CCD 和CIS：

．電荷耦合組件（CCD）被視為最好的仿真組件，因此若需與數字系統整合，就需要在一定的模擬電壓下外加ADC及頻率生成功能。每個像素儲存由光子產生的電荷，且多數的應用是由2D數組排列成行，每行由多個像素組成。讀取CCD時，需透過行與行之間的傳輸，將每行平行傳遞到讀取緩存器， 再透過讀取緩存器將每行串行讀取。這個緩存器的讀取過程中，會將電荷轉換為電壓。

．CMOS影像傳感器能讓ADC、偏壓和驅動電路在同一個芯片上做更緊密的整合，可大幅降低系統對整合的需求，并同時提高CIS設計的復雜度。主動像素傳感器 （APS）是CIS的核心，其中與CCD的不同在于CIS的每個像素中同時包含一組光電二極管及讀取放大器，并能單獨讀取數組中的任一個像素。

盡管多數的嵌入式視覺皆采用CIS組件，但CCD仍是高端科學研究應用領域中主要采用的傳感器。本文所提及的內容適用于CIS或CCD影像技術。

分辨率為傳感器選擇首要考慮

用戶必須對系統有深刻的了解方能選出正確的影像傳感器，以下幾點是須納入考慮的要素：

首先，用戶必須決定所需的分辨率為何，也就是決定每行中須包含的像素量，以及檢測器需多少行。好比說，在天文科學應用的情況下，很可能需用到高分辨率的2D組件，但在工業品管的影像應用上可能只須執行線性掃描。

線性掃描組件由X軸上的單行像素所組成，往往適用于移動中的相機或目標物應用，藉以生成Y軸的影像。通常這類傳感器用于檢驗應用或光學字符識別（OCR）居多。有些領域須采用時域整合（TDI）線性掃描傳感器，而這類傳感器在X軸由多行所組成，并隨著目標移動；而像素也從一個向下一個移動，并隨著電荷在時間上整合，以實現更靈敏的檢測。

不過，TDI需在行與行間的傳輸與目標移動間進行同步，以防發生模糊及影像缺陷。由于只有幾行須要讀取，因此幀率可以相當高。

2D數組中包含多行的像素，而數組大小將決定傳感器的最大幀率。通常為了實現更高的幀率，并將2D組件平行讀取多個像素。除此之外，2D組件亦可執行窗口操作（又稱為感興趣區域，ROI），并讀取特定感興趣的區域，以獲得更高的幀率。這類組件可用于眾多領域，而且信息包含在2D影像中，例如先進輔助駕駛系統（ADAS）、監控或科學研究領域。

在決定了影像感測的格式及所需分辨率后，再來必須考慮的是「像素間距」。因為它決定了像素的大小，而這關系到入射光子所產生的電荷有多少能夠被收集。因此，較小的像素間距意味著在一個整合周期內（傳感器暴露于影像中的時間）能夠收集較少的電荷。若像素間距較小，則意味著捕捉影像需要更長的整合時間，這會影響到傳感器捕捉快速移動中影像的能力，并且使得低光源拍照效能下降。